Чорум, усули интиқоли буғи физикӣ
Даринтиқоли буғи ҷисмонӣ (PVT)усул аз технологияи сублиматсияи марҳилаи буғ, ки аз ҷониби Лели дар соли 1955 ихтироъ шудааст, пайдо шудааст. Хокаи SiC дар найчаи графит ҷойгир карда мешавад ва то ҳарорати баланд барои таҷзия ва сублиматсия кардани хокаи SiC гарм карда мешавад ва сипас найчаи графит сард мешавад. Пас аз таҷзияи хокаи SiC, ҷузъҳои фазаи буғ ба кристаллҳои SiC дар атрофи найчаи графит гузошта мешаванд ва кристалл мешаванд. Гарчанде ки ин усул ба даст овардани як кристаллҳои калонҳаҷми SiC-ро душвор мегардонад ва назорат кардани раванди ҷойгиршавӣ дар найчаи графитӣ душвор аст, он барои муҳаққиқони минбаъда идеяҳо медиҳад.
Йм Тераиров ва дигарон. дар Русия мафҳуми кристаллҳои тухмиро дар ин замина ҷорӣ карда, масъалаи шакли кристаллҳои идоранашаванда ва мавқеи ядроии кристаллҳои SiC-ро ҳал карданд. Тадқиқотчиёни минбаъда такмил додани усули интиқоли фазаи гази физикиро (PVT) дар истифодаи саноатӣ имрӯз идома доданд.
Ҳамчун барвақттарин усули афзоиши булӯр SiC, усули интиқоли буғи физикӣ усули асосии афзоиш барои афзоиши кристалл SiC мебошад. Дар муқоиса бо усулҳои дигар, усул дорои талаботи пасти таҷҳизоти афзоиш, раванди оддии афзоиш, назорати қавӣ, таҳияи ҳамаҷониба ва тадқиқот мебошад ва татбиқи саноатиро амалӣ кардааст. Сохтори кристалл, ки бо усули ҳозираи PVT парвариш карда шудааст, дар расм нишон дода шудааст.
Майдонҳои ҳарорати меҳвар ва радиалиро тавассути назорат кардани шароити гармидиҳии берунии тигели графитӣ идора кардан мумкин аст. Хокаи SiC дар поёни тигели графитӣ бо ҳарорати баландтар ҷойгир карда мешавад ва кристали тухмии SiC дар болои тигели графитӣ дар ҳарорати пасттар ҷойгир карда мешавад. Масофаи байни хока ва тухмӣ одатан даҳҳо миллиметрро ташкил медиҳад, то тамоси байни кристаллҳои афзоянда ва хокаро пешгирӣ кунад. Градиенти ҳарорат одатан дар ҳудуди 15-35 ℃ / см аст. Барои зиёд кардани конвексия дар танӯр гази инертии 50-5000 Па нигоҳ дошта мешавад. Бо ин роҳ, пас аз гарм кардани хокаи SiC бо гармкунии индуксионӣ то 2000-2500 ℃ гарм карда мешавад, хокаи SiC сублиматсия мешавад ва ба Si, Si2C, SiC2 ва дигар ҷузъҳои буғ таҷзия мешавад ва бо конвексияи газ ба охири тухм интиқол дода мешавад ва Кристали SiC дар кристали тухмӣ кристалл карда мешавад, то афзоиши як кристалл ба даст ояд. Суръати маъмулии афзоиши он 0,1-2 мм / соат аст.
Раванди PVT ба назорати ҳарорати афзоиш, градиенти ҳарорат, сатҳи афзоиш, фосилаи сатҳи моддӣ ва фишори афзоиш тамаркуз мекунад, бартарии он дар он аст, ки раванди он нисбатан баркамол аст, ашёи хом барои истеҳсол осон аст, арзиши паст аст, аммо раванди афзоиш аз усули PVT мушоҳида кардан душвор аст, суръати афзоиши кристалл 0,2-0,4 мм/соат, парвариши кристаллҳои ғафсии калон (> 50 мм) душвор аст. Пас аз даҳсолаҳои кӯшишҳои пайваста, бозори кунунии вафли субстрати SiC, ки бо усули PVT парвариш карда мешаванд, хеле бузург буд ва истеҳсоли солонаи вафли субстрати SiC метавонад ба садҳо ҳазор вафли расонад ва андозаи он тадриҷан аз 4 дюйм ба 6 тағир меёбад. дюйм буда, 8 дюйм намунаҳои субстрати SiC-ро таҳия кардааст.
Панҷум, усули пошидани буғи кимиёвӣ дар ҳарорати баланд
Ҷойгиркунии буғҳои кимиёвии баландҳарорат (HTCVD) як усули мукаммалест, ки ба таҳшини буғи химиявӣ (CVD) асос ёфтааст. Ин усул бори аввал дар соли 1995 аз ҷониби Кордина ва дигарон, Донишгоҳи Линкопинг, Шветсия пешниҳод карда шуд.
Диаграммаи сохтори афзоиш дар расм нишон дода шудааст:
Майдонҳои ҳарорати меҳвар ва радиалиро тавассути назорат кардани шароити гармидиҳии берунии тигели графитӣ идора кардан мумкин аст. Хокаи SiC дар поёни тигели графитӣ бо ҳарорати баландтар ҷойгир карда мешавад ва кристали тухмии SiC дар болои тигели графитӣ дар ҳарорати пасттар ҷойгир карда мешавад. Масофаи байни хока ва тухмӣ одатан даҳҳо миллиметрро ташкил медиҳад, то тамоси байни кристаллҳои афзоянда ва хокаро пешгирӣ кунад. Градиенти ҳарорат одатан дар ҳудуди 15-35 ℃ / см аст. Барои зиёд кардани конвексия дар танӯр гази инертии 50-5000 Па нигоҳ дошта мешавад. Бо ин роҳ, пас аз гарм кардани хокаи SiC бо гармкунии индуксионӣ то 2000-2500 ℃ гарм карда мешавад, хокаи SiC сублиматсия мешавад ва ба Si, Si2C, SiC2 ва дигар ҷузъҳои буғ таҷзия мешавад ва бо конвексияи газ ба охири тухм интиқол дода мешавад ва Кристали SiC дар кристали тухмӣ кристалл карда мешавад, то афзоиши як кристалл ба даст ояд. Суръати маъмулии афзоиши он 0,1-2 мм / соат аст.
Раванди PVT ба назорати ҳарорати афзоиш, градиенти ҳарорат, сатҳи афзоиш, фосилаи сатҳи моддӣ ва фишори афзоиш тамаркуз мекунад, бартарии он дар он аст, ки раванди он нисбатан баркамол аст, ашёи хом барои истеҳсол осон аст, арзиши паст аст, аммо раванди афзоиш аз усули PVT мушоҳида кардан душвор аст, суръати афзоиши кристалл 0,2-0,4 мм/соат, парвариши кристаллҳои ғафсии калон (> 50 мм) душвор аст. Пас аз даҳсолаҳои кӯшишҳои пайваста, бозори кунунии вафли субстрати SiC, ки бо усули PVT парвариш карда мешаванд, хеле бузург буд ва истеҳсоли солонаи вафли субстрати SiC метавонад ба садҳо ҳазор вафли расонад ва андозаи он тадриҷан аз 4 дюйм ба 6 тағир меёбад. дюйм буда, 8 дюйм намунаҳои субстрати SiC-ро таҳия кардааст.
Вақте ки кристалл SiC бо усули фазаи моеъ парвариш карда мешавад, тақсимоти ҳарорат ва конвексия дар дохили маҳлули ёрирасон дар расм нишон дода шудааст:
Мумкин аст, ки ҳарорати назди девори тигел дар маҳлули ёрирасон баландтар аст, дар ҳоле ки ҳарорати кристалл тухмӣ пасттар аст. Дар ҷараёни афзоиш, тигели графит барои афзоиши кристалл манбаи C медиҳад. Азбаски ҳарорат дар девори тигел баланд аст, маҳлулнокии С калон аст ва суръати обшавӣ тез аст, миқдори зиёди С дар девори тигел ҳал шуда, маҳлули тофтаи С-ро ба вуҷуд меорад. Ин маҳлулҳо бо миқдори зиёд C-и гудохташуда тавассути конвексия дар дохили маҳлули ёрирасон ба қисми поёнии кристаллҳои тухмӣ интиқол дода мешавад. Аз сабаби паст будани њарорати нуги булури тухмї мањлули С-и мувофиќ мутаносибан кам мешавад ва мањлули аслии С серѓаш баъди ба нўги њарорати паст гузаштан дар ин њолат мањлули серѓизошудаи С мегардад. C дар маҳлул дар якҷоягӣ бо Si дар маҳлули ёрирасон метавонад кристали SiC эпитаксиалиро дар кристали тухмӣ афзоиш диҳад. Ваќте ки ќисми сурохии С бориш мешавад, мањлул бо конвексия ба нуги њарорати баланди девори тигел бармегардад ва С-ро боз мањлули тофта ба вуљуд меорад.
Тамоми раванд такрор мешавад ва кристалл SiC меафзояд. Дар раванди афзоиши фазаи моеъ, обшавӣ ва боришот дар маҳлул нишондиҳандаи хеле муҳими пешрафти афзоиш мебошад. Барои таъмини нашъунамои мӯътадили кристалл мувозинати байни обшавии С дар девори тигел ва боришот дар охири тухмро нигоҳ доштан лозим аст. Агар обшавии С аз боришоти С зиёд бошад, он гох С дар кристалл тадричан бой мешавад ва ядрошавии стихиявии SiC ба амал меояд. Агар обшавии С аз боришоти С камтар бошад, нашъунамои кристалл аз сабаби набудани моддаи махлул мушкил мегардад.
Дар баробари ин, интиқоли С тавассути конвексия ба таъминоти С ҳангоми афзоиш низ таъсир мерасонад. Барои парвариши кристаллҳои SiC бо сифати хуби булӯр ва ғафсии кофӣ, мувозинати се элементи дар боло зикршударо таъмин кардан лозим аст, ки мушкилии афзоиши марҳилаи моеъи SiC-ро хеле зиёд мекунад. Бо вуҷуди ин, бо тадриҷан такмил ва такмил додани назарияҳо ва технологияҳои алоқаманд, бартариҳои афзоиши марҳилаи моеъи кристаллҳои SiC тадриҷан нишон дода мешаванд.
Дар айни замон, афзоиши марҳилаи моеъи кристаллҳои 2-дюймаи SiC метавонад дар Ҷопон ба даст оварда шавад ва афзоиши марҳилаи моеъи кристаллҳои 4-дюйма низ таҳия карда мешавад. Дар айни замой тадкикоти дахлдори ватанй натичахои хуб надидааст ва аз паи кори дахлдори тадкикотй гузарондан лозим аст.
Ҳафтум, хосиятҳои физикӣ ва химиявии кристаллҳои SiC
(1) Хусусиятҳои механикӣ: Кристаллҳои SiC сахтии бениҳоят баланд ва муқовимати хуби фарсудашавӣ доранд. Сахтии Mohs аз 9,2 то 9,3 ва сахтии Крити он аз 2900 то 3100 кг/мм2 аст, ки дар байни маводҳои кашфшуда пас аз кристаллҳои алмос дуюмин аст. Аз сабаби хосиятҳои хуби механикии SiC, хокаи SiC аксар вақт дар саноати буридан ё суфтакунӣ истифода мешавад, ки талаботи солона то миллионҳо тоннаро ташкил медиҳад. Дар рӯйпӯшҳои ба фарсуда тобовар дар баъзе қисмҳои корӣ инчунин қабати SiC истифода мешавад, масалан, рӯйпӯши ба фарсудашавӣ тобовар дар баъзе киштиҳои ҳарбӣ аз рӯйпӯши SiC иборат аст.
(2) Хусусиятҳои гармидиҳӣ: Қобилияти гармидиҳии SiC метавонад ба 3-5 Вт/см·К расад, ки аз нимноқилҳои анъанавии Si 3 маротиба ва GaAs 8 маротиба зиёдтар аст. Истеҳсоли гармии дастгоҳе, ки аз ҷониби SiC омода карда шудааст, метавонад зуд анҷом дода шавад, аз ин рӯ талаботи шароити паҳншавии гармии дастгоҳи SiC нисбатан суст аст ва он барои тайёр кардани дастгоҳҳои пуриқтидор бештар мувофиқ аст. SiC дорои хосиятҳои устувори термодинамикӣ мебошад. Дар шароити фишори муқаррарӣ, SiC мустақиман ба буғи дорои Si ва C дар баландтар таҷзия мешавад.
(3) Хусусиятҳои кимиёвӣ: SiC дорои хосиятҳои устувори химиявӣ, муқовимат ба зангзании хуб аст ва бо ягон кислотаи маълум дар ҳарорати хонагӣ реаксия намекунад. SiC, ки дар ҳаво муддати тӯлонӣ ҷойгир карда мешавад, оҳиста қабати тунуки зиччи SiO2-ро ташкил карда, реаксияҳои минбаъдаи оксидшавиро пешгирӣ мекунад. Вақте ки ҳарорат ба зиёда аз 1700 ℃ боло меравад, қабати тунуки SiO2 зуд гудохта мешавад ва оксид мешавад. SiC метавонад бо оксидантҳо ё асосҳои гудохта реаксияи сусти оксидшавиро гузаронад ва вафли SiC одатан дар KOH гудохта ва Na2O2 занг мезанад, то дислокатсияро дар кристаллҳои SiC тавсиф кунад.
(4) Хусусиятҳои электрикӣ: SiC ҳамчун маводи намояндагии нимноқилҳои васеъи банд, 6H-SiC ва 4H-SiC паҳнои бандҳо мутаносибан 3,0 эВ ва 3,2 эВ мебошанд, ки 3 маротиба аз Si ва 2 маротиба аз GaAs аст. Дастгоҳҳои нимноқилҳои аз SiC сохташуда ҷараёнҳои хурдтар ва майдонҳои электрикии шикаста доранд, аз ин рӯ SiC барои дастгоҳҳои пуриқтидор маводи беҳтарин ҳисобида мешавад. Харакатнокии электронии тофтаи SiC низ нисбат ба Si 2 маротиба зиёдтар аст ва он дар тайёр кардани дастгоххои баландбасомад низ бартарихои намоён дорад. Кристаллҳои навъи P ё кристаллҳои навъи N SiC-ро тавассути допинги атомҳои наҷосат дар кристаллҳо ба даст овардан мумкин аст. Дар айни замон, кристаллҳои навъи P SiC асосан аз ҷониби Al, B, Be, O, Ga, Sc ва дигар атомҳо омехта карда мешаванд ва кристаллҳои навъи N асосан бо N атомҳо омехта карда мешаванд. Тафовут дар консентратсияи допинг ва намуди он ба хосиятҳои физикӣ ва химиявии SiC таъсири калон мерасонад. Дар айни замон, интиқолдиҳандаи озодро метавон тавассути допинги сатҳи амиқ ба монанди V мехкӯб кард, муқовиматро зиёд кардан мумкин аст ва кристали нимизолятсияи SiC ба даст овардан мумкин аст.
(5) Хусусиятҳои оптикӣ: Аз сабаби фосилаи нисбатан васеътари кристалл SiC бе ранг ва шаффоф аст. Кристаллҳои омехтаи SiC аз сабаби хосиятҳои гуногунашон рангҳои гуногун нишон медиҳанд, масалан, 6H-SiC пас аз допинг N сабз мешавад; 4H-SiC қаҳваранг аст. 15R-SiC зард аст. Бо Al, 4H-SiC кабуд менамояд. Ин як усули интуитивӣ барои фарқ кардани навъи булӯри SiC тавассути мушоҳидаи фарқияти ранг аст. Бо таҳқиқоти пайваста дар соҳаҳои марбут ба SiC дар 20 соли охир дар технологияҳои алоқаманд пешрафтҳои бузург ба даст оварда шуданд.
Ҳаштум, Муаррифии вазъи рушди СиС
Дар айни замон, саноати SiC аз пластинкаҳои субстратӣ,ваэпитаксиалӣвафельхобарои истеҳсоли дастгоҳ, ва бастабандӣ, тамоми занҷири саноатӣ ба камол расидааст ва он метавонад маҳсулоти марбут ба SiC-ро ба бозор таъмин кунад.
Cree як пешвои соҳаи афзоиши кристаллҳои SiC буда, ҳам дар андоза ва ҳам сифати вафли субстрати SiC мавқеи пешсаф аст. Айни замон Cree дар як сол 300 000 микросхемаҳои субстрати SiC истеҳсол мекунад, ки беш аз 80% интиқоли ҷаҳониро ташкил медиҳад.
Дар моҳи сентябри соли 2019, Cree эълон кард, ки дар Ню Йорк, ИМА як иншооти нав месозад, ки технологияи пешрафтаро барои парвариши қувваи диаметри 200 мм ва вафли субстрати RF SiC истифода мебарад, ки нишон медиҳад, ки технологияи омодасозии маводи субстрати 200 мм SiC бештар ба камол расад.
Дар айни замон, маҳсулоти асосии микросхемаҳои субстрати SiC дар бозор асосан 4H-SiC ва 6H-SiC гузаронанда ва нимизолятсияи 2-6 дюйм мебошанд.
Дар моҳи октябри соли 2015, Cree аввалин шуда вафли субстрати 200 мм SiC-ро барои навъи N ва LED ба кор бурд, ки оғози вафли субстрати 8 дюймаи SiC дар бозорро нишон дод.
Дар соли 2016, Ромм сарпарастии дастаи Venturi-ро оғоз кард ва аввалин шуда омезиши IGBT + SiC SBD-ро дар мошин барои иваз кардани ҳалли IGBT + Si FRD дар инвертери анъанавии 200 кВт истифода бурд. Пас аз такмил, вазни инвертор 2 кг кам карда мешавад ва андозаи он 19% кам карда мешавад, дар ҳоле ки қувваи якхела нигоҳ дошта мешавад.
Дар соли 2017, пас аз қабули минбаъдаи SiC MOS + SiC SBD, на танҳо вазн 6 кг кам карда шуд, балки андоза 43% кам карда шуд ва иқтидори инвертер низ аз 200 кВт то 220 кВт афзоиш ёфт.
Пас аз он ки Tesla дар соли 2018 дастгоҳҳои асоси SIC-ро дар инвертерҳои асосии гардонандаи маҳсулоти Модели 3-и худ қабул кард, эффекти намоишӣ зуд афзоиш ёфт ва бозори автомобилии xEV-ро ба зудӣ ба манбаи ҳаяҷон барои бозори SiC табдил дод. Бо татбиқи бомуваффақияти SiC, арзиши истеҳсоли бозории он низ босуръат боло рафт.
Нӯҳум, хулоса:
Бо такмили пайвастаи технологияҳои саноатии марбут ба SiC, ҳосилнокӣ ва эътимоднокии он боз ҳам беҳтар мешавад, нархи дастгоҳҳои SiC низ коҳиш меёбад ва рақобатпазирии SiC дар бозор равшантар мешавад. Дар оянда дастгоҳҳои SiC дар соҳаҳои гуногун, аз қабили мошинсозӣ, алоқа, шабакаҳои барқӣ ва нақлиёт васеътар истифода мешаванд ва бозори маҳсулот васеътар ва ҳаҷми бозор боз ҳам васеътар мегардад ва ба дастгирии муҳими миллӣ табдил меёбад. иктисодиёт.
Вақти фиристодан: январ-25-2024